Superkondensatorer er en passende navngiven type enhed, der kan lagre og levere energi hurtigere end konventionelle batterier. De er i høj efterspørgsel efter applikationer, herunder elbiler, trådløs telekommunikation og kraftige lasere.

Men for at realisere disse applikationer har superkondensatorer brug for bedre elektroder, som forbinder superkondensatoren med de enheder, der afhænger af deres energi. Disse elektroder skal være både hurtigere og billigere at lave i stor skala og også kunne oplade og aflade deres elektriske belastning hurtigere. Et team af ingeniører ved University of Washington mener, at de har fundet frem til en proces til fremstilling af superkondensatorelektrodematerialer, der vil opfylde disse strenge industrielle krav og brugskrav.

Forskerne, ledet af UW assisterende professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab Peter Pauzauskie, offentliggjorde en artikel den 17. juli i tidsskriftet Nature Microsystems and Nanoengineering, der beskriver deres superkondensatorelektrode og den hurtige, billige måde, de lavede den på. Deres nye metode starter med kulstofrige materialer, der er blevet tørret til en lavdensitetsmatrix kaldet en aerogel. Denne aerogel kan i sig selv fungere som en rå elektrode, men Pauzauskies team mere end fordoblede sin kapacitans, hvilket er dens evne til at lagre elektrisk ladning.

Disse billige udgangsmaterialer, kombineret med en strømlinet synteseproces, minimerer to almindelige barrierer for industriel anvendelse: omkostninger og hastighed.

"I industrielle applikationer er tid penge," sagde Pauzauskie. "Vi kan lave udgangsmaterialerne til disse elektroder på timer i stedet for uger. Og det kan reducere synteseomkostningerne betydeligt ved fremstilling af højtydende superkondensatorelektroder."

Effektive superkondensatorelektroder er syntetiseret af kulstofrige materialer, der også har et stort overfladeareal. Sidstnævnte krav er kritisk på grund af den unikke måde, superkondensatorer lagrer elektrisk ladning på. Mens et konventionelt batteri gemmer elektriske ladninger via de kemiske reaktioner, der forekommer i det, lagrer og adskiller en superkondensator i stedet positive og negative ladninger direkte på overfladen.

"Superkondensatorer kan virke meget hurtigere end batterier, fordi de ikke er begrænset af reaktionens hastighed eller biprodukter, der kan dannes," sagde medforfatter Matthew Lim, en UW-doktorand ved Institut for Materialevidenskab og Engineering. "Superkondensatorer kan oplade og aflade meget hurtigt, og det er derfor, de er gode til at levere disse 'pulser' af kraft."

"De har gode applikationer i omgivelser, hvor et batteri i sig selv er for langsomt," sagde medforfatter Matthew Crane, en doktorand i UW Department of Chemical Engineering. "I øjeblikke, hvor et batteri er for langsomt til at opfylde energikravene, kunne en superkondensator med en elektrode med stort overfladeareal 'sparke' hurtigt ind og kompensere for energiunderskuddet."

For at få det høje overfladeareal til en effektiv elektrode brugte holdet aerogeler. Det er våde, gelélignende stoffer, der har gennemgået en særlig behandling med tørring og opvarmning for at erstatte deres flydende komponenter med luft eller en anden gas. Disse metoder bevarer gelens 3D-struktur, hvilket giver den et højt overfladeareal og ekstrem lav tæthed. Det er som at fjerne alt vandet fra Jell-O uden at krympe.

"Et gram aerogel indeholder omtrent lige så meget overfladeareal som en fodboldbane," sagde Pauzauskie.

Crane fremstillede aerogeler af en gel-lignende polymer, et materiale med gentagne strukturelle enheder, skabt af formaldehyd og andre kulstofbaserede molekyler. Dette sikrede, at deres enhed, ligesom nutidens superkondensatorelektroder, ville bestå af kulstofrige materialer.

Tidligere har Lim demonstreret, at tilsætning af grafen - som er et ark kulstof kun et atom tykt - til gelen gennemsyrede den resulterende aerogel med superkondensatoregenskaber. Men Lim og Crane havde brug for at forbedre aerogelens ydeevne og gøre synteseprocessen billigere og nemmere.

I Lims tidligere eksperimenter havde tilføjelse af grafen ikke forbedret aerogels kapacitans. Så de fyldte i stedet aerogeler med tynde plader af enten molybdændisulfid eller wolframdisulfid. Begge kemikalier bruges i dag meget i industrielle smøremidler.

Forskerne behandlede begge materialer med højfrekvente lydbølger for at bryde dem op i tynde plader og inkorporerede dem i den kulstofrige gelmatrix. De kunne syntetisere en fuldt fyldt våd gel på mindre end to timer, mens andre metoder ville tage mange dage.

Efter at have opnået den tørrede aerogel med lav densitet, kombinerede de den med klæbemidler og et andet kulstofrigt materiale for at skabe en industriel "dej", som Lim blot kunne rulle ud til ark med kun få tusindedele af en tomme tyk. De skar en halv tomme skiver af dejen og samlede dem i simple møntcellebatterihuse for at teste materialets effektivitet som superkondensatorelektrode.

Ikke alene var deres elektroder hurtige, enkle og nemme at syntetisere, men de havde også en kapacitans, der var mindst 127 procent større end den kulstofrige aerogel alene.

Lim og Crane forventer, at aerogeler fyldt med endnu tyndere plader af molybdændisulfid eller wolframdisulfid - deres var omkring 10 til 100 atomer tykke - ville vise en endnu bedre ydeevne. Men først ville de vise, at fyldte aerogeler ville være hurtigere og billigere at syntetisere, et nødvendigt skridt for industriel produktion. Finjusteringen kommer næste gang.

Holdet mener, at disse bestræbelser kan hjælpe med at fremme videnskaben selv uden for superkondensatorelektrodernes område. Deres aerogel-suspenderede molybdændisulfid kan forblive tilstrækkeligt stabile til at katalysere brintproduktion. Og deres metode til at fange materialer hurtigt i aerogeler kunne anvendes på batterier med høj kapacitet eller katalyse.